Минеральные добавки активно используются в технологии производства бетонов во всем мире. Привлекательность минеральных добавок связана с возможностью утилизации отходов техногенного происхождения, а также со снижением себестоимости бетонов или получением уникальных технологических и физико-механических характеристик. Влияние минеральных добавок на свойства бетона рассматривается авторами в данной статье.

 

Появление химических пластификаторов на поликарбоксилатной основе с 30…40% эффектом водоредуцирования позволило усилить действие ряда минеральных добавок в бетонах. Заметно это усиление проявилось при использовании минеральных добавок с удельной поверхностью, определяемой по методике ГОСТ 310.3-76 [1], более высокой, чем в массовых товарных цементах с Sуд.=3000….4000см2/г (по Блейну).

Активные минеральные добавки (АМД) с высокой удельной поверхностью по ГОСТ Р 56592-2015 [2]:

• микрокременезем типа МКУ-65, МКУ-85, МКУ-95;

• метакаолин;

• шлак доменный молотый;

• зола-уноса.

АМД поставляются с величиной удельной поверхности для шлака Sуд.=5000 см2/г (по Блейну), для МКУ-85…МКУ-95, уплотненных в среднем 15000…20000 см2/г, для золы-уноса (кремневая или кальциевая) в зависимости от вида – 3000…4200 см2/г.

Также на рынке РФ присутствуют неактивные минеральные добавки (ИМД) по терминологии ГОСТ Р56592. Важная особенность ИМД – «инертность», т.е. отсутст­вие активности в нормальных условиях. Среди применяемых инертных ИМД:

• молотый известняк;

• доломит с различной степенью помола;

• минеральный порошок марки МП с Sуд.=11000 см2/г;

• гранитная мука;

• молотый песок;

• некоторые виды зол (золы отвалов ТЭЦ), не обладающие гидравлической активностью.

На рис. 1 показаны используемые в производстве бетонов и растворов минеральные добавки типов АМД и ИМД.

Величина удельной поверхности ИМД широко варьируется и может составлять от 300 до 11 000 см/г.

Удельная поверхность материала, как правило, связана с коэффициентом нормальной густоты смешанного минерального вяжущего и обозначается Кнгм с определением на цементном тесте на приборе Вика [1].

При введении в минеральное вяжущее (цемент + минеральная добавка) АМД или ИМД со значением Sуд меньше удельной поверхности цемента, коэффициент нормальной густоты модифицированного теста Кнгм будет снижаться. Увеличение значения удельной поверхности минеральной добавки приведет к повышению значения Кнгм.

Эффект заметно проявляется при использовании микрокременезема с высокой удельной поверхностью и почти не фиксируется на молотом шлаке и золе-уноса при значениях их удельной поверхности близких к характеристикам используемого цемента.

Увеличение Кнгм влияет на рост величины В/Ц в составе бетона со всеми «вытекающими негативными последствиями» для физико-механических характеристик бетона. В этой связи использование суперпластификаторов в технологии бетонов для «борьбы» с увеличением В/Вяж – первый фактор применения минеральной добавки.

Второй фактор – изменение активности смешанного вяжущего Ra в зависимости от используемой минеральной добавки АМД или ИМД.

Для качественного определения влияния фактора проводят экспериментальную оценку активности смешанного вяжущего или Raм на цементно-песчаных балках на Вольском песке по методикам ГОСТ 310.4-81 [3] в проектном возрасте или ГОСТ 30744-2001 [4] на полифракционном песке.

Общее правило простое – инертные МД снижают активность смешанного вяжущего, а АМД – повышают или позволяют его сохранить на уровне примерно равной Ra исходного цемента.

Для оценки степени повышения или снижения активности вяжущего в методиках, приведенных в идентичном европейскому СТБ ЕN206-2016 [5] и ГОСТ Р57345-2016/EN206-1:2003 [6], используется показатель индекса активности К.

В упрощенном виде, например введение 20 кг/м3 микрокремнезема (индекс активности К=2) эквивалентно при равной активности получаемого вяжущего – снижению 40 кг/м3 цемента и наоборот. В то же время введение вместо цемента, например 60 кг/м3 шлака молотого при его индексе активности К=0,8 равносильно снижению содержания цемента в составе с 60 до 48 кг/м3.

Таким образом, влияние на водопотребность смешанного вяжущего и изменение активности полученной матрицы – базовые факторы, определяющие использование минеральных добавок при проектировании композиций бетонов.

В рамках статьи не будем рассматривать вопрос снижения или сохранения расчетного В/Вяж. Это в целом решается усилением водоредуцирования за счет современных суперпластификаторов путем увеличения их дозировок от массы вяжущего.

Важный вопрос, сколько использовать количественно минеральной добавки без существенных потерь физико-механических характеристик?

Таблица 1.

Минеральная добавка	Тип добавки	Изменение активности вяжущего Ra при вводе минеральной добавки в количестве…от массы вяжущего (коэффициент изменения активности KRa)
		5%	10%	15%	20%	30%
МКУ-85	АМД	1,1	1,2	1,25	1,25	1,25
МКУ-95	АМД	1,15	1,25	1,3	1,3	1,3
Шлак молотый	АМД	1,03	1,05	1,03	1,0	0,9
Зола уноса	АМД	1,05	1,1	1,15	1,0	0,95
МП порошок	ИМД	1,05	1,0	0,85	0,80	0,65
Доломитовая мука	ИМД	1,00	0,95	0,80	0,75	0,65

Несмотря на нерешенные в должной мере научно-технические проблемы, например влияние количества минералогии АМД и ИМД на нормируемые показатели долговечности бетона (морозостойкость, сульфатостойкость, коррозионная устойчивость) можно сформулировать практические количественные ограничения по их вводу. При повышенных расходах АМД и ИМД в составе цементного вяжущего и высоком замещении доли цемента существует возможность снижения РН в цементном камне ниже 10…11, что может негативно сказаться на пассивном состоянии арматуры при эксплуатации железобетонной конструкции. Влияние некоторых видов и дозировок МД может быть негативным.

Например, для АМД микрокремнезема (microsilica) предельная величина введения в состав вяжущего не более 15%. При этом эффективные дозировки МК в пределах 8…10%. Минимальное количество микро­кремнезема на пределе возможностей определения качественных изменений характеристик смесей и бетонов для большинства строительных лабораторий составляет не менее 4…5% от МВяж.

Следует отметить, что ЕN206-1 [5, 6] рекомендует принимать максимальное количество микрокремнезема не более 11% от массы вяжущего. Считается, что данное количество кремнезема может химически связываться в прочные нерастворимые новообразования за счет последующей перекристаллизации продуктов гидратации «первой волны», а остальное количество кремнезема свыше 11% будет отнесено к инертному наполнителю (ИМД).

Для шлака молотого (slag) дозировки находятся в пределах 10…30% от массы вяжущего в составе бетона. Многие исследователи и собственные испытания показывают, что введение шлака молотого в товарном бетоне замедляет кинетику набора прочности бетона на сжатие до 20…30% в суточном и до 10…15% в трехсуточном возрасте относительно «чистого цементного» состава бетона. При этом в 7-ми суточном возрасте отличия в кинетике практически не наблюдаются.

Оптимальное количество шлака молотого (по производственному опыту) не должно превышать 15…20% для «всепогодных массовых» составов товарного бетона классов В25…В30 (включая период осени и весны с пониженными температурами окружающей среды плюс 5…10°С).

При этом для теплого периода производства бетонных работ с апреля по сентябрь (средняя полоса России) эффективно сезонно увеличивать расход шлака до 30…35%.

Более осторожно следует использовать золы-уноса. Это связано с влиянием АМД на прочность в ранних и умеренных сроках (1…7 сутки) твердения бетона относительно «чистых» цементных бетонов. Влияние существенно превышает некоторое замедляющее действие шлака в составе смешанного вяжущего на кинетику набора прочности.

Отмечается, как правило, резкое снижение показателей прочности бетонов на сжатие в диапазоне от 1 до 7-х суток с величиной от 30…40% (в 7 суток) до 60…80% (в возрасте одних суток). Однако, начиная с 14-ти суточного возраста наблюдается выравнивание, и уже к 28-ми суточному возрасту расчетные показатели прочности бетона обеспечиваются в полном объеме.

В этой связи количество золы-уноса для «всепогодных» составов бетонов класса В25…В30 может быть рекомендовано до 10…12% от массы вяжущего и увеличено до 15…20% для сезонных «летних составов» бетонов с апреля до сентября. Однако для композиций специальных бетонов для массивных конструкций или высокопрочных бетонов с ограничением тепловыделения и трещинообразования можно допустить эффективное применение до 30% золы-уноса и до 40% шлаков молотых.

Можно ли комбинировать, применяя одновременно один-два вида АМД в сочетании с инертной ИМД и собственно цементом?

Можно и необходимо, например, при проектировании самоуплотняющихся бетонов (SSC) повышенных классов по прочности В45…В50 для массивных конструкций, высокопрочных и особо высокопрочных бетонов (UHPC) классов В60…В120 с ограничением трещинообразования и для решения некоторых других задач современного строительства. На практике часто встречаются сочетания: цемент+микрокремнезем+шлак или цемент со шлаком и инертной минеральной добавкой.

Как влияет использование АМД или инертной МД на показатели активности вяжущего?

Подобная информация всегда используется для расчетов проектной прочности бетона по существующим функциональным зависимостям. Без данной оценки затруднительно провести нормальный подбор состава с минеральной добавкой. Строго говоря, необходимо использовать нормативные методики оценки активности [3, 4]. Однако в ряде случаев отмечается явный недостаток времени на техническое проведение данных экспериментов, требующих оценки в проект­ном возрасте 28 суток. В этом случае допускаем использование следующих обобщенных рекомендаций по оценке изменения активности смешанного вяжущего Rа, пригодных для практических расчетов.

К примеру, применение микрокремнезема марки МКУ-85 в общем количестве вяжущего 5% ведет к увеличению активности вяжущего Ra примерно на 10%. Подобное увеличение для марки МКУ-95 с дозировкой в 5% от МВяж влияет на повышение прочности на 15%. Применение уже 10% МКУ-85 от МВяж позволит поднять величину Ra на 20%. Такое же количество МКУ-95 приведет к росту Ra минимум на 25%.

Использование шлака молотого в дозировке 10% от массы вяжущего увеличивает активность вяжущего в проектном возрасте на 5…7%. Увеличение дозировки до 20% ведет к сохранению фактической активности цемента. Применение шлака в 30% в дозировке снизит активность вяжущего порядка 10% по сравнению с составами без введения шлака с равными значениями В/Ц и В/Вяж отношений.

Инертные минеральные добавки в дозировках до 10% от массы вяжущего практически не изменяют показатели активности вяжущего. Этот часто отмечаемый эффект наиболее вероятно связан с некоторым улучшением показателей по плотности бетонной смеси, снижению явлений расслоения и т.д.

Однако дальнейшее увеличение дозировок инертных МД снижает активность вяжущего. Так, при дозировке 15…20% от МВяж рекомендуется применить к Ra понижающий коэффициент 0,85…0,8, а при дозировках 25…30% – коэффициент 0,7…0,65 к показателям активности конкретной марки цемента. Для упрощения понимания данные сводим в табл. 1.

В используемые формулы прочности рекомендуем вводить пониженные или повышенные с учетом табл. 1 коэффициенты КRA – к значению Ra и сниженную или расчетную величину В/Вяж – за счет действия пластификаторов. Это позволит получить все заданные прочностные характеристики в бетонах при замене части цемента на инертные или активные минеральные добавки.

Какие технологические свойства бетонной смеси изменяются в случае применения минеральных добавок?

В целом это зависит от вида используемой минеральной добавки и направления проектирования бетона. Как правило, АМД с повышенной удельной поверхностью (выше, чем в цементе) улучшают показатели водо- и раствороотделения бетонной смеси по ГОСТ 7473-2010 [7].

В тоже время введение ИМД с небольшой удельной поверхностью в количестве 20…30% от массы вяжущего в случае их прямой количественной замены на цемент в составе, способно ухудшить показатели по расслоению смеси и даже провоцировать блокировку смеси в бункерах (бадьях) и бетононасосах. В отдельных случаях отмечается снижение плотности бетонной смеси, что приводит к уменьшению соответственно прочности бетона в проектном возрасте 28 суток. В меньшей степени наблюдается негативное влияние АМД и ИМД на показатели сохраняемости бетонной смеси. Как правило, АМД и ИМД незначительно воздействуют на показатели сохраняемости смеси, хотя имеются примеры положительного влияния, например, зол-уноса, но в большей степени влияние оказывают: цемент, его особенности по минералогии, расход и свойства используемой химической добавки, а также температура окружающей среды и самой бетонной смеси.

Таблица 2.

Наименование минеральной добавки	Задача	Оптимальное количество АМД, ИМД, % от МВяж	Изменение водопотребности вяжущего Кнг	Изменение активности вяжущего Ra	Изменение плотности смеси, ρ	Изменение содержания пластификатора	Технические и экономические эффекты
Товарный бетон
Шлак молотый (АМД)	снижение себестоимости	15…20%	снижение Кнг	сохранение активности	почти не изменяет	возможно снижение расхода	снижение себестоимости от 50 руб./м3
Доломитовая мука (ИМД)	снижение себестоимости	20…25%	заметное снижение Кнг	снижение активности	снижение плотности	снижение расхода	снижение себестоимости от 100 руб./м3
Шлак молотый (АМД)	получение СУБ марок SF1-SF3 классов В25…В45	20…30%	снижение Кнг	небольшое снижение активности	сохранение плотности	снижение расхода	снижение себестоимости и тепловыделения
МКУ-85 (АМД) плюс Шлак молотый (АМД)	получение СУБ марок SF2-SF3 и высоких классов В60…В80	10…15% 20..25%	увеличение Кнг	увеличение активности	Небольшое снижение плотности	небольшое увеличение расхода	увеличение себестоимости СУБ и ВБ
МКУ-85 (АМД)	получение В60…В80 и СУБ классов В45…В50	10…15%	увеличение Кнг	увеличение активности	снижение плотности	заметное увеличение расхода добавки	увеличение себестоимости СУБ, ВБ
Зола-уноса (АМД)	классы В60…В80 с пониженным тепловыделением	20…25%	сохранение Кнг	Сохранение или небольшое снижение	Сохранение плотности	Сохранение или небольшое увеличение	Сохранение себестоимости, резкое снижение тепловыделения
Бетоны для ЖБИ
Минеральный порошок (ИМД)	улучшение категории поверхности А2/А3	20…30%	Снижение Кнг	Снижение активности вяжущего	Снижение плотности	Небольшое снижение расхода	Обеспечение А/2/А3 со снижением себестоимости
Шлак молотый (АМД)	улучшение категории поверхности А2/А3	25…30%	Снижение Кнг	небольшое снижение активности	Снижение плотности	Сохранение расхода	Обеспечение А/2/А3 с сохранением себестоимости

Что можем получить за счет введения минеральных добавок?

Существует целый ряд направлений:

Снижение себестоимости бетона за счет замены цемента в составе на более дешевые АМД или инертные МД с сохранением нормируемых показателей прочности и водонепроницаемости;

Улучшение технологических характеристик смеси, технических и физико-механических свойств бетона без увеличения себестоимости;

Получение специальных бетонов, например СУБ, высокопрочных, ультра высокопрочных В90…В120, с низкой экзотермией для массивных конструкций с увеличением себестоимости бетона в зависимости от уровня сложности задачи.

С позиции технико-экономических показателей применение минеральной добавки и ее экономический эффект тесно увязаны со стоимостью цемента в конкретном регионе РФ, а также доступностью и ценой самих АМД (ИМД).

Например, для региона СЗФО (за исключением сложных по условиям доставки Калининградской области и некоторых удаленных северных районов СЗФО) цены в среднем (на 1 кв. 2020 г):

• шлак молотый в пределах 4,3…4,8 руб/кг (далее везде с НДС);

• микрокремнезем марки МКУ-85 12…15 руб/кг;

• зола-уноса от 3,0 до 3,6 руб/кг;

• минеральный порошок МП, доломитовая мука от 1,3 до 2,2 руб/кг (в зависимости от тонкости помола);

• цемент от 4,8 до 5,2 руб/кг.

Использование МД может существенно повлиять на себестоимость бетона. В каждом из направлений существуют свои методы решений.

Если в первом задачи просты и понятны – замена одного количества цемента на равное количество минеральной добавки с констатацией технических эффектов и пересчетом себестоимости, то решение задач по второму направлению более сложно, но интересно с технических позиций.

Например, требуется улучшить категорию поверхности до категории А2/А3 по ГОСТ13015-2012 [8] на стеновых панелях, изготавливаемых по технологии кассетного формования. Технический фактор, кроме ряда прочих условий, оказывающий сильное влияние на категорию поверхности – это необходимый объем цементного теста – mтв. Учитывая, что объем цементного теста mт.в.= (Ц/ρц+АМД/ρамд+ИМД/ρимд+В/ρв) в литрах, где ρц, ρамд, ρимд, ρв – истинные плотности соответственно цемента, активной и инертной минеральной добавки, а также воды.

Простое увеличение объема вяжущего mтв. только за счет одного цемента – дорогостоящее мероприятие, а применение недорогих инертных минеральных добавок ИМД по этой технологии в рамках решаемой задачи, более чем предпочтительно.

В третьем направлении, например, необходимо разработать состав СУБ с пониженной величиной тепловыделения. В этом случае часть необходимого объема вяжущего необходимого при проектировании СУБ различного уровня от марки SF1 до SF3 [5, 6] будет замещена на АМД-продукты с низким тепловыделением или простые ИМД, не участвующие в процессах гидратации. Главное – обеспечить требуемый объем вяжущего mт.в. под заданную марку СУБ от 340 до 410 л в структуре бетонной смеси.

В рамках каждой из задач решения своеобразны. Отдельные примеры решений и технологические вопросы приведены в табл. 2.

Есть ли проблемы связанные применением и работой технологического оборудования подачи минеральных добавок в бетонные смеси на БСУ?

Все современные бетоносмесительные узлы крупных и средних производителей бетона мощностью от 120 000 до 25 000 м3/месяц
в г. Санкт-Петербург: группа «ЛСР.Бетон», «ГК Монолит», ЗАО «Беатон», «ГК Девиз», «Бетон-Экспресс», «Лидер-Бетон», «Луя-Бетомикс», «Профбетон», «Бетоника» имеют возможность и большой производст­венный опыт автоматической подачи и дозирования минеральных добавок любого типа АМД или/и ИМД. Под МД используют цементные силоса (до 1…2-х банок-силосов), подача (шнековые раздатчики-питатели) и адаптированное программное обеспечение. На этапе освоения технологии использования МД в бетонах более 10 лет назад отмечались случаи засорения и налипания высокодисперсных минеральных добавок на технологическое оборудование и шнековые питатели. Это способствовало уходу, например, с рынка нетехнологичного неуплотненного микрокремнезема марки МК. В настоящее время востребована марка уплотненного кремнезема – МКУ.

Таблица 3. Составы бетонов различного технического назначения с минеральными добавками АМД и ИМД

Назначение, класс бетона, марка смеси	Расход компонентов, кг/м3 (на сухие заполнители)					В/Вяж	Сохраняемость смеси, (минут)*
	Цемент класса (ЦЕМ 1-42,5Н)	Минеральная добавка (% от массы вяжущего)	Песок. Мк=2,5	Щебень гранит 5…20 мм	Добавка % от МВяж
Товарный В25 марки П4 (снижение себестоимости)	260	60 Шлак (АМД) (18% от МВяж )	920	950	РСЕ 0,12% по сух. вещ.	0,56	90…120
Товарный В25 марки П4 (снижение себестоимости)	260	80 Дол. мука (ИМД) (23% от МВяж)	900	960	РСЕ 0,14% по сух.вещ.	0,52	до 120 минут
СУБ В30 марки SF2 (экономичный)	320	160 минерального порошка (ИМД) (33% от МВяж)	830	7805…10	РСЕ 0,14% по сух.вещ.	0,45	до 120 минут
Высокопрочный В60 марки П4	470	50 МКУ-85 (АМД) (10% от МВяж)	760	1060	РСЕ 0,25% по сух.вещ.	0,29	до 90 минут
Товарный В60 П4 (низкое тепловыделение)	420	120 Зола-уноса (АМД) (22% от МВяж)	700	1050	РСЕ 0,20% по сух.вещ.	0,30	до 120 минут
Товарный СУБ В60 марки SF3 (экономичный)	450	120 Шлак (АМД) (21% от МВяж)	900	8005…10	РСЕ 0,20% по сух.вещ.	0,28	до 180 минут
Бетон В22,5 ЖБИ для категории А2/А3 (кассеты) П4	200	60 Шлак (АМД) 90 МП (ИМД) (43% от Мвяж)	880	950	РСЕ 0,15% по сух.вещ.**	0,53	до 60 минут

Примечание: *сохраняемость смесей приведена для цемента класса ЦЕМ 1-42,5Н (ЦЕСЛА) «Хайдельбергцемент» на добавке Линамикс ПК тип 2 мод. 932 или мод. 993 производства «Полипласт Северо-запад» (ППСЗ)
** используются добавки для ЖБИ «Полипласт Таргет» мод. 942 производства ППСЗ.

По причине неумелого технического использования зол-уноса в товарных бетонах в каркасном монолитном строительстве и увлечения повышенными расходами АМД от массы вяжущего, они практически незаслуженно ушли с рынка.

Существовали трудности с оборудованием для растаривания «биг-бэгов», в которых часто поставлялись данные продукты.

Сейчас применение минеральных добавок различного типа не представляет серьезных технических проблем.

Явным преимуществом минеральных добавок является также возможность их более длительного хранения без потери технологических и потребительских свойств относительно цементов. В табл. 3 приведены некоторые составы бетонов различного назначения с использованием минеральных добавок.

При использовании минеральных добавок пока нет однозначного мнения о положительном влиянии на показатели долговечности бетона, в частности на морозостойкость. Ряд исследователей считают, что есть отрицательное действие АМД и ИМД на морозостойкость бетона, особенно при ее высоких нормируемых значениях, уже начиная с показателя F2300 и выше. Но также имеются данные экспертов о положительном влиянии, например показателя «основности» шлаков молотых с величиной более 1,3 на повышение морозостойкости бетона. Модуль основности шлака определяется по формуле (СаО+MgO)/(SiO2).

В тоже время показатели марки по водонепроницаемости W (для всех видов МД) и сульфатостойкости бетона (для АМД) заметно улучшаются. При этом морозостойкость для обычных бетонов с маркой F1 по ГОСТ 26633-2015 [9] при умеренных дозировках АМД и ИМД в 10-15% от МВяж может увеличиваться до определенного предела за счет снижения проницаемости и показателей В/Ц (В/Вяж).

В целом считаем, что применение минеральных добавок в Российской Федерации будет только расширяться, так как помимо экономической эффективности в части снижения себестоимости бетонов от 50 до 150 руб/м3 решается и ряд важных экологических задач по утилизации техногенных отходов металлургической и энергетической промышленности.

Библиографический список:

1. ГОСТ 310.2-76. Цементы. Методы определения нормальной густоты, сроков схватывания и равномерности изменения объема.

2. ГОСТ Р56592-2015. Добавки минеральные для бетонов и строительных растворов. Общие технические условия.

3. ГОСТ 310.4-81. Цементы. Методы определения предела прочности при изгибе и сжатии.

4. ГОСТ 30744-2001. Цементы. Методы испытаний с использованием полифракционного песка.

5. СТБ ЕN206-2016. Бетоны. Требования, показатели, изготовление и соответствие.

6. ГОСТ Р57345-2016/EN206-1:2003. Бетон. Общие технические условия.

7. ГОСТ 7473-2010. Смеси бетонные. Технические условия.

8. ГОСТ 13015-2012. Изделия бетонные и железобетонные для строительства. Общие технические требования. Правила приемки, маркировки, транспортирования и хранения

9. ГОСТ 26633-2015 Бетоны. Тяжелые и мелкозернистые. Технические условия.

И.В. КОВАЛЬ, канд. техн. наук, заместитель генерального директора по науке «Полипласт Северо-запад», г. Санкт-Петербург, Российская Федерация;
Н.Н. КАЛИНОВСКАЯ, канд. техн. наук, доцент БНТУ г. Минск, Республика Беларусь;
Аль-Мусави Кадим Салех, аспирант БНТУ г. Минск, Республика Беларусь.

Источник: www.tehnobeton.ru